15_01_CAS操作

CAS 操作

一、锁的劣势

• 采用独占的方式访问锁的守护变量
• 获取锁，存在挂起和恢复线程的问题，这些操作都比较耗时
• 等待锁时，线程不能做其他的事情
• 容易出现活跃性故障，比如死锁、活锁等
• 锁竞争激烈时，线程调度开销会非常大

二、CAS 操作

2.1 基本原理

基本原理：

1. CAS 包含3个操作数：内存原值 V，期望旧值 A，写入新值 B
2. 当且仅当 V == A 时，才能将 V 更新为 B

简单地说，就是当 V == A 时，CAS 就认为没有其他线程修改过内存值 V，可以直接写入新值。

• 当多线程竞争同一个 CAS 时，只有其中一个线程可以成功，其他线程均失败

用代码模拟 CAS 操作大概如下：

public class SimulatedCAS {
    
    private int value;
    
    public synchronized int get() {
        return value;
    }
    
    public synchronized int compareAndSwap(int expectValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        if (oldValue == expectValue) {
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }
    
    public synchronized boolean compareAndSet(int expectValue, int newValue) {
        return (expectValue == compareAndSwap(expectValue, newValue));
    }
    
}

实际上 CAS 操作会由底层的 JVM 或操作系统实现，是一种原子操作。

CAS 的使用模式通常是这样的：

1. 首先从内存 V 中读取到值 A，此时 V == A
2. 然后根据 A 计算得到新值 B
3. 接着通过 CAS 以原子方式将 V 的值更新为 B
4. 如果 CAS 成功，则返回；否则一般都需要重新执行 CAS

伪代码如下：

while(true) {
    A = V;
    B = A + 1;
    if (CAS(V, A, B)) {
        return;
    }
}

使用 CAS 时，一般都是循环执行代码，直到 CAS 成功为止。

2.2 硬件支持

在多处理器架构中，一般都提供有一些特殊指令，用于管理对共享数据的并发访问：

• Test-and-Set（测试并设置）
• Fetch-and-Increment（获取并递增）
• Compare-and-Swap（比较并交换）
• Load-Linked（加载链接）
• Store-Conditional（存储条件）

这些特殊指令，提供了某种形式的“原子“读写操作，可以安全地访问共享数据。

2.3 JVM 支持

硬件指令虽然提供了 CAS 的实现，但是在 Java 代码中是不能直接使用硬件指令的。

所以 JVM 会将 CAS 代码编译成底层硬件提供的最有效方法：

• 在支持 CAS 的平台上，JVM 会将 CAS 代码编译为相应的（多条）机器指令
• 在不支持 CAS 的平台上，JVM 将会使用自旋锁来代替 CAS 操作

JVM 为 Java 代码执行 CAS 操作提供了底层的支持。

2.4 锁和 CAS 的区别

• 独占锁是一项悲观技术；而 CAS 是一项乐观的技术
• 获取锁失败时，线程会阻塞挂起；而竞争 CAS 失败时，线程不会阻塞，而是直接返回
• 锁的获取可能导致操作系统级别的锁定、线程挂起以及上下文切换等；而 CAS 操作不会
• 锁可以自动处理竞争问题（JVM 实现）；而 CAS 需要由调用者处理竞争问题（循环 CAS 直到成功）
• 锁定时，至少需要一次 CAS，所以锁的开销基本都会比 CAS 大
• 竞争激烈时，锁的性能会更好；而竞争不激烈时，CAS 的性能会更好
• 竞争激烈时，CAS 会导致很多线程空自旋等待，浪费 CPU 资源